大西海子水庫滲漏原因分析

吳圓圓

（新疆塔里木河流域工程建設處，新疆 庫爾勒 841000）

位于新疆尉犁縣塔里木河下游的大西海子水庫滲漏嚴重，需對其滲漏原因進行地質分析。

1 概況

1972年建成投入運行的大西海子水庫由一庫和二庫組成[1]，目前一庫已廢棄，水庫功能調整為專門用于塔里木河下游生態供水。水庫（二庫）水工建筑物包括大壩、二庫老泄洪閘、二庫新放水閘、二庫放水閘（龍口處）、進庫引水工程等。其中，大壩包括北壩（樁號K0+000—K5+506）、東壩（樁號K5+506—K10+417）、南壩（樁號K10+417—K17+711）、西壩（樁號K17+711—K32+263），壩型為均質土壩，水庫正常蓄水位849.25 m，總庫容9870萬m3[2]。

2 工作方法

為了查明大西海子水庫滲漏原因，按照《中小型水利水電工程地質勘察規范》，結合工程實際，采用工程地質測繪、坑探、鉆探、現場相對密度及注水試驗、鉆孔抽水試驗、室內土工試驗等方法對工程場區進行勘察，勘探點間距控制在200～300 m，鉆孔深度15～25 m。對壩體填筑質量檢測采用坑探與鉆探相間布置的方式，并在鉆孔中進行標貫試驗，確定壩體密實度；在探井中進行現場注水試驗及天然密度試驗，查明填筑土滲透系數及相對密度。

3 庫區工程地質條件分析

3.1 地勢地貌

大西海子水庫位于塔克拉瑪干沙漠東緣的平原區[3]，總體地勢由西北向東南微傾斜，海拔高程840～870 m。受新構造運動影響，塔里木河河道南北擺動明顯，寬度約4 km，庫區面積約58 km2。由于緊鄰塔克拉瑪干沙漠區，水庫周圍尤其是庫區南部分布著大量的起伏沙丘，表部有流動現象，沙丘比高2～30 m不等，庫盤內局部分布的沙丘多為固定沙丘，蘆葦、紅柳等植被生長較茂密。所以，大西海子水庫是利用塔里木河下游密集古河床網所構成的湖沼洼地修建的湖泊型水庫。

水庫在河床、漫灘及自然洼地內修筑壩體圍建而成，部分庫岸依托天然沙丘、沙梁進行攔水。庫區形態不規則。由于庫區內古河道分布密集，各河網間沙丘、沙梁交錯展布，因此壩體多呈斷續分布，尤其以南壩表現較為明顯。

3.2 地層巖性

庫區出露的地層為第四系沖洪積物及風積物，各地層巖性分述如下。

（1）第四系全新統風積（Qaol4）粉土質砂、粉細砂。主要分布于庫區西側、南側及東北側，少量分布于庫盤內，是組成沙丘、沙梁的主要巖性，呈黃色，結構松散～稍密，上部土體干燥，向下含水量增大，水位以下飽和。根據室內滲透試驗及野外注水試驗，滲透系數數量級多在10-3、10-4cm/s，具有中等透水性。

（2）第四系全新統沖洪積（Qaol4）粉土質砂、含細粒土砂。廣泛分布于庫壩區內，為庫壩區出露的主要地層，呈灰白～土黃色，結構松散～稍密，含水量變化較大，干～飽和，局部夾有薄層低液限黏土、粉土夾層或透鏡體。

（3）第四系全新統湖積（Ql4）低液限粉土、粉土質砂。分布于庫區內，出露不連續，低液限粉土與粉土質砂交互沉積，最大厚度約1.0 m，土體呈黃色，松散～稍密，含水量差異較大，稍濕～飽和，局部夾有薄層低液限黏土及灰黑色淤泥質黏土、砂土透鏡體。

（4）第四系全新統人工堆積體（Qs

4）。是水庫大壩壩體人工填筑層，巖性主要為粉細砂、粉土質砂，局部為低液限粉土、黏土等。

3.3 地質構造

庫區處于塔里木河下游、塔克拉瑪干沙漠東緣，出露的地層主要為大厚度的第四系松散堆積物。據調查，庫區附近無大的活動性斷裂發育，區域構造穩定性較好。

3.4 水文地質條件

3.4.1 地下水類型

庫區地下水類型單一，水文地質結構簡單，主要為第四系孔隙潛水，埋深隨地勢差異而變化較大，在地勢低洼處直接出露于地表，含水層巖性為第四系細砂、粉土質砂等透水性較強、富水性較好的第四系松散堆積物。地下水主要由上游河水及少量降水補給，徑流方向基本與地表水水流方向一致，即由北西向東南方向流動，其排泄方式為蒸發及人工渠排泄。

3.4.2 水化學成分

（1）庫區地下水。為第四系孔隙潛水，水化學成分為SO42-、CI-、Ca2+、Na+，pH為7.73～8.06，屬弱堿性水。

（2）管理站生活用水。根據水質檢測報告，水化學成分為CI-、K+、Na+，礦化度為3.02 g/L，屬中礦化度水。

3.4.3 環境水腐蝕性評價

經水質化驗，庫水中SO42-含量為199.8～345.4mg/L，Mg2+含量為2.95～80.5 mg/L，CL-含量為131.9～197.6 mg/L；第四系潛水中SO42-含量為403.6 ～2039.4 mg/L，Mg2+含量為2.8～406.9 mg/L，CL-含量為257.9～1872.7 mg/L。依據《水利水電工程地質勘察規范》判定，地表水對混凝土結構具有弱腐蝕性，對鋼筋混凝土結構中的鋼筋具有弱腐蝕性，對鋼結構具有弱腐蝕性；第四系潛水對混凝土具有強腐蝕性，對鋼筋混凝土結構中的鋼筋具有中腐蝕性，對鋼結構具有中腐蝕性。

3.4.4 水庫各壩段地下水分布特征及變化

大西海子水庫是利用塔里木河下游的湖沼洼地修建的湖泊型水庫。水庫北、西、南側部分地段分布著移動、半固定沙丘。根據現場調查及勘探，水庫修建壩體處均位于現代河床及古河床網中，地勢較低，地下水均有出露，壩后地下水埋深0～2.2 m，壩頂水位埋深3.0～6.5 m，水位變幅在0.11～1.7 m，地下水埋深隨庫水位升高而變淺。水庫除險加固安全鑒定階段（2015 月12 月—2016年1 月）及初設階段（勘探時間2020年9—10 月）各壩段地下水位埋深及水位變幅統計，詳見表1。

表1 水庫各壩段地下水位埋深及水位變幅統計

3.5 庫區滲漏分析

（1）庫岸穩定。水庫西南及北側天然岸坡主要為天然風積固定、半固定沙丘，自然坡度多在5°～20°。根據現場調查，在庫區西南壩段部分沙丘岸坡較陡，坡度40°～55°，坡高約20 m，沙丘土體為干燥～稍濕，呈松散狀，具有流動現象。沙丘坡腳受風浪淘蝕，岸坡已發生滑移塌岸，存在庫岸再造問題。

（2）水庫滲漏。水庫處于河流沖洪積平原下游，主要為古河床網所構成的湖沼洼地。根據勘探揭露，庫區地層巖性主要為第四系沖洪積物及風積物組成，其中沖洪積物巖性以粉土質砂、粉細砂為主，滲透系數為2.2×10-3～9.6×10-3cm/s，具有中等透水性，在局部地段表層0～4.0 m 范圍內有薄層低液限粉土、低液限黏土夾層或透鏡體，多與粉砂交互沉積，層厚在0.2～1.2 m，滲透系數為1.83×10-4～5.78×10-5cm/s，具有中弱透水性；第四系風積物巖性為粉砂、細砂，滲透系數為2.7×10-3～5.34×10-3cm/s，具有中等透水性。

由勘探及土工試驗結果分析發現，庫盤地層巖性主要由透水性較大的粉、細砂組成，至于部分表層分布的低液限粉土、黏土由于分布范圍不大、厚度較小且出露不連續，對庫區防滲作用不大。

4 岸坡和壩體工程地質條件及評價

4.1 工程地質條件

大西海子水庫部分庫岸依托天然沙丘、沙梁進行筑壩攔水，壩體多呈斷續分布，尤以西側及北側最為明顯。其中，南側分布連續，呈帶狀、沙梁狀延伸，最大坡高約20 m，坡度多在5°～20°，部分地段坡度較陡，可達40°～55°；西側、北側沙丘基本上呈斷續片狀分布，多低矮平緩，坡度不大，地勢呈波狀起伏。庫岸沙丘多以半固定沙丘為主，固定性差，表部流動現象較突出。根據現場調查，水庫大壩壩基及壩體均未進行防滲處理，滲流出口無反濾排水保護，防滲體系不完善；大壩植被茂盛、鼠洞密布，壩體及壩基普遍滲漏嚴重，下游壩坡出逸點高，壩后呈沼澤化。各壩段長度及坡高統計，詳見表2。根據勘探揭露，巖性為第四系風積級配不良砂（粉細砂），土黃色，表層干燥，向下含水量增高，稍濕～濕，結構為松散～稍密狀。粉細砂天然密度1.45～1.58 g/cm3，含水量1.0%～23.6%，黏聚力0，內摩擦角23°～32°，滲透系數5.17×10-3～8.32×10-3cm/s，具有中等透水性。

表2 各段岸坡滲漏量計算結果

4.2 岸坡滲漏估算

壩體天然沙丘巖性為級配不良砂，不均勻系數為1.7～2.0，根據《水利水電工程地質勘察規范》附錄G判定，其滲透變形類型為流土型。

臨界水力比降計算公式為：

式中：Jcr為臨界水力比降；GS為顆粒比重，取2.66～2.68；n為孔隙率，取0.45～0.48。

根據計算結果，級配不良砂臨界水力比降Jcr為0.86～0.92；地質勘察數據顯示，允許水力比降J允許為0.43～0.46（偏大）。根據《水利水電工程地質勘察規范》第G.0.7 第2 條款，對于不均勻系數＜3.0 的無黏性土，建議其允許水力比降為0.15～0.18。

庫岸和壩體為天然沙丘，巖性為級配不良砂，滲透系數為5.17×10-3～8.32×10-3cm/s，平均滲透系數為6.6×10-3cm/s，具有中等透水性。滲漏量計算公式為：

式中：Q為壩基滲漏量（m3/d）；B為計算長度（m）；K為滲透系數（m/d）；H為水位差（m）；qr為計算滲漏量（m3/d）。

式（2）中參數取值及各段岸坡滲漏量計算結果，詳見表2。

4.3 壩體工程地質條件及質量評價

大西海子水庫各壩體土質和填筑土土質情況基本一樣，以南壩為例對水庫大壩滲漏情況進行分析。南壩（樁號K11+735—K17+711）段自新放水閘南部至葫蘆瓢西側，長約7.3 km，壩頂寬度3～5 m，壩體植被（蘆葦）及鼠洞發育，壩前后無護坡，壩體變形嚴重。

4.3.1 壩體土物理力學性質

南壩段壩體填筑土巖性主要為粉土質砂（含細粒土砂），呈灰白色，局部夾低液限粉土。根據勘探揭露，壩體土含水量自上而下增大，上部土體干燥～稍濕，浸潤線以下土體為濕～飽和，結構為松散～稍密狀。依據試驗分析，粉土質砂天然含水量為1.7%～23.6%，天然密度為1.48～1.50 g/cm3，干密度為1.43～1.46 g/cm3，滲透系數為8.2×10-4～4.6×10-3cm/s，具有中等透水性。

4.3.2 壩體土填筑質量評價

南壩段壩體填筑土巖性主要為粉土質砂（含細粒土砂），根據土工試驗及現場相對密度試驗，粉土質砂天然密度為1.48～1.50 g/cm3，干密度為1.43～1.46 g/cm3，相對密度為0.41～0.60，滲透系數為8.2×10-4～4.6×10-3cm/s，具有中等透水性。壩體填筑土密實度及滲透系數均不符合要求。

4.3.3 壩體滲透變形判別

南壩段壩體填筑土巖性為粉土質砂（含細粒土砂），滲透變形類型為流土型。臨界水力比降采用式（1）計算，式中相關參數取值及計算結果詳見表3。

表3 壩體填筑土水力比降計算結果

由表3 可知，壩體填筑粉土質砂（含細粒土砂）臨界水力比降為0.89～0.97，允許水力比降為0.45～0.48。根據《水利水電工程地質勘察規范》判定，粉土質砂允許水力比降計算值偏大，建議其允許水力比降取0.15～0.18。

本次計算選擇南壩段樁號K11+200、K11+500斷面，采用公式J實際=H/L計算，各參數選取及滲流計算結果詳見表4。

表4 大壩斷面滲流計算結果

由表4可知，南壩段壩體設計滲透比降為0.19～0.23，大于壩體填筑土允許水力比降0.15～0.18，存在壩體滲透破壞問題。根據現場調查發現，部分壩段壩后浸潤線出溢點高，建議對該壩段進行壩體及壩基防滲加固或對壩體進行滲透保護和采取排降水措施，保證壩體及壩基安全。

5 結語

通過分析探討可知，大西海子水庫地層巖性為透水性較大的粉細砂，庫岸和壩體為具有中透水性的第四系風積級配不良砂（粉細砂），壩體滲透比降接近或大于允許比降，存在滲透破壞問題，加之未做防滲處理，導致了水庫庫區、壩體和庫岸均存在不同的滲漏問題，急需采取措施進行除險加固。